A laser-based technique to evaluate sound generation during phonation

Die Entstehung von aeroakustisch erzeugtem Schall ist messtechnisch nur eingeschränkt zu erfassen, da eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung des gesamten Strömungsfeldes nötig ist. Daher konnten komplexe Schallentstehungsmechanismen – wie bei der menschlichen Stimme – bis jetzt noch nicht vollständig wissenschaftlich erfasst werden. Neue Fortschritte auf dem Gebiet der optischen Technologien hat die Auflösungs- und Genauigkeitsgrenzen in der Messtechnik verschoben, sodass aeroakustische Untersuchungen möglich werden.
Auf diesen neuesten Entwicklungen basierend wurde im ersten Teil dieser Arbeit das Verfahren der hybriden Akustik-PIV (HAcouPIV) entwickelt. Aktuellste Messtechnik wird hier mit neuartigen numerischen Verfahren aus dem Gebiet der Akustik kombiniert. Mittels Hochgeschwindigkeits-PIV wird die Strömungsgeschwindigkeit gemessen und mittels eines numerischen Ansatzes daraus das Druckfeld berechnet. Durch einen Störansatz wird dann der Schalldruck von den strömungsmechanischen Druckschwankungen getrennt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird dieser HAcouPIV-Ansatz angewandt, um Schallentstehung und –abstrahlung bei der menschlichen Phonation zu untersuchen. Dabei wird erstmalig das akustische Quellfeld auf Basis eines kombinierten Ansatzes aus experimenteller Messung und numerischer Simulation bestimmt.
Ein stark moduliertes Quellfeld, das weit in den supraglottalen Bereich reicht, wurde für normale Phonation festgestellt. Dies wurde sowohl für Breitband-, als auch für harmonische Anteile festgestellt. Die Analyse der vibroakustischen Eigenschaften der Stimmlippenschwingung auf Basis von Laservibrometerdaten offenbarte stark ausgeprägte harmonische Anteile auf der Stimmlippenoberfläche im Bereich der Glottis. Diese haben möglicherweise einen hohen Einfluss auf die Stimmgebung im Rahmen einer Fluid-Struktur-Akustik Interaktion.
Ein hybrider Ansatz aus laserbasierten Messmethoden und numerischen Auswerteverfahren wurde in dieser Arbeit erfolgreich entwickelt und angewandt. Grundlegende Mechanismen der Schallentstehung bei der menschlichen Phonation wurden aufgezeigt und neu beleuchtet. Diese Ergebnisse legen die stimmlippeninduzierte Modulation des glottalen Jets und dessen gesamte Ausdehnung als Hauptkomponente im Strömungsfeld für die Schallerzeugung nahe.